Il carbone è il combustibile fossile che ha guidato il mondo moderno verso l’elettrificazione e l’industrializzazione e rimane ancora una fonte energetica chiave per la generazione elettrica in tanti paesi. Negli ultimi due decenni in particolare, ha rappresentato in media il 40% del mix energetico a livello globale. A confronto con gas e petrolio, risulta più economico e meno soggetto a fluttuazioni di prezzo. Disponibile in abbondanza in molte parti del mondo, il suo approvvigionamento è più sicuro rispetto agli altri combustibili fossili. Queste caratteristiche di affidabilità, economicità e disponibilità garantirebbero almeno fino al 2050 il suo sfruttamento per la generazione elettrica in tanti paesi, in particolare in quelli in via di sviluppo con limitato accesso a petrolio e gas naturale. Tra il 2017 ed il 2020, sono stati avviati più di 150 GWe di nuovi impianti a carbone e, attualmente, dei 330 GWe in costruzione, quelli alimentati a carbone rappresentano una grossa fetta.

Negli ultimi anni, la presa d'atto del cambiamento climatico ha imposto ai governi di incentivare la produzione energetica sostenibile con varie forme di sostegno economico. Dal 2000 le emissioni di CO2 del settore elettrico sono cresciute con un tasso annuo medio del 2,3% e nel contesto attuale la generazione elettrica da carbone rappresenta la maggiore fonte di emissioni di CO2, di SO2, di NOx e di particolato. Dunque l’incremento di efficienza media del parco mondiale delle centrali elettriche a carbone è estremamente importante per minimizzare l’impatto ambientale, contribuendo così al raggiungimento di sei dei 17 obiettivi di sviluppo sostenibile concordati dall'assemblea generale dell’ONU nel 2015 all'interno della cosiddetta Agenda 2030 ossia:

• 3 – Buona salute e benessere per le persone;
• 7 – Energia pulita e accessibile;
• 9 – Industria, innovazione e infrastrutture;
• 12 – Consumo e produzione responsabile;
• 13 – Cambiamenti del clima;
• 17 – Partnership per gli obiettivi.

Attualmente, sono funzionanti o in costruzione diversi impianti di gassificazione a ciclo combinato (IGCC) e quasi tutti gli impianti, alimentati a polverino di carbone (PC), con caldaia tradizionale o a letto fluido (FBC) si basano su unità a ciclo Rankine. Nel caso degli impianti con caldaia tradizione e a polverino di carbone si distinguono tre tipi di tecnologie, differenziate a seconda delle condizioni operative del ciclo termodinamico del vapore, che influenzano l’efficienza dell’impianto: cicli a vapore subcritici, supercritici (SC) e ultrasupercritici (USC). Impianti USC recenti a carbone hanno raggiunto rendimenti netti superiori al 47,5% (calcolati a partire dal potere calorifico inferiore del combustibile) e sono disponibili oggi tecnologie in grado di garantire efficienze superiori al 49% (è il caso dell’impianto Pingshan II, in Cina). Ciononostante, L’International Energy Agency (IEA) stima che al 2016 l’efficienza media del parco centrali a carbone mondiale sia attorno al 37,5% (Figura 1) con un incremento di 2 punti percentuali rispetto al 2006, di un solo punto percentuale nel decennio 1996-2006 e ben 10 punti percentuali in meno rispetto all'efficienza ottenibile attualmente con le migliori tecnologie. È evidente che a livello mondiale esiste un grosso potenziale di miglioramento dell’efficienza del parco impianti a carbone.

Trascurando i casi limite, l’efficienza di una singola unità a carbone può variare significativamente dal 30% al 47% in funzione di diversi fattori, primo tra tutti la tecnologia scelta.

[caption id="attachment_13320" align="alignnone" width="640"] Figura 1. Andamento dell’efficienza media globale della flotta di impianti a carbone dal 1996 al 2016 (IEA, 2019; WEC, 2016)[/caption]

È cruciale adottare la migliore tecnologia disponibile nel mercato al momento della costruzione perché questa scelta ne determina l’efficienza e le prestazioni, in termini di emissioni inquinanti, lungo la sua vita utile. Quest’ultima varia in funzione della tipologia di caldaia, della frequenza delle manutenzioni e della qualità del carbone utilizzato, ed è normalmente compresa tra i 35 e i 50 anni. Nel corso degli anni di esercizio, l’efficienza degli impianti tende a decrescere. Un piano di manutenzione ben cadenzato e buone pratiche manutentive possono aiutare a preservare il rendimento dell’impianto nei primi anni di servizio. L’invecchiamento e le modalità di funzionamento dell’impianto causano inevitabilmente un calo delle prestazioni e sono richiesti investimenti e interventi consistenti per mantenerlo operativo in maniera efficiente ed economica. Basta pensare agli impianti progettati per il carico di base che tendono ad usurarsi maggiormente in quanto fatti funzionare nella modalità off-design ad inseguimento di carico. Se i costi di investimento iniziali sono generalmente recuperati nel corso della vita utile della centrale, le spese per funzionamento e manutenzione (O&M) crescono negli anni. Un componente rilevante dei costi per O&M è costituito dal combustibile. Un’efficienza maggiore corrisponde a un minor consumo di combustibile a parità di energia elettrica generata, e quindi assicura costi operativi inferiori. Questo incentiva i gestori dell’impianto ad investire sull'incremento di efficienza.

Il presente report si inserisce in questo complesso panorama riportando i dati relativi agli incrementi effettivi dell’efficienza degli impianti a carbone a livello globale negli ultimi due decenni, e analizzando i casi studio dei paesi che sfruttano maggiormente il carbone, quali Cina, Giappone, India e Stati Uniti. A partire dall'analisi dei quadri politici, del mercato e dei regolamenti ambientali, è possibile fare chiarezza su quali siano stati nel passato i fattori che hanno promosso o ostacolato gli interventi per l’incremento dell’efficienza media degli impianti a carbone, valutare le scelte intraprese e verificare quali proposte possano rivelarsi efficaci per lo sviluppo futuro del settore.

Il caso della Cina è fortemente influenzato dal tipo di economia vigente, un’economia top-down governata dal rispetto delle norme e delle politiche governative. Il settore energetico cinese è stato riformato strutturalmente nel 2002 con la creazione di cinque società statali per la generazione elettrica, che ancora dominano la produzione nazionale da carbone. Negli ultimi anni, la Cina ha emesso una serie di politiche e programmi volti ad aumentare l'efficienza e ridurre le emissioni delle centrali a carbone. Sono stati stabiliti obiettivi nazionali obbligatori per la riduzione delle emissioni e per l’incremento dell'efficienza della generazione di energia del carbone. Circa 100 GWe di piccole e inefficienti centrali a carbone sono state costrette a chiudere nel periodo 2006-15. Standard tecnici stabiliscono inoltre le dimensioni minime e l'efficienza per le nuove centrali a carbone, richiedendo l'uso delle migliori tecnologie disponibili, il che ha portato all'installazione in Cina di circa 462 unità SC (244 GWe) e 235 unità USC (> 193 GWe) entro il 2018. Le centrali a carbone esistenti di taglia 300 e 600 MW hanno l’obbligo di essere ammodernate entro il 2020 al fine di soddisfare i nuovi standard di efficienza e livelli di emissioni ultra-bassi. Conseguentemente a questi provvedimenti, si è registrato un continuo miglioramento dell'efficienza del parco cinese delle centrali a carbone, con un aumento netto di 7,57 punti percentuali osservato tra il 2003 e il 2018.

In India gli obiettivi principali della politica energetica sono l'accesso universale all'energia e la sicurezza energetica, dal momento che milioni di indiani vivono ancora senza elettricità. Fino al 2014, a causa di anni di investimenti inadeguati e di cattiva gestione, l'efficienza del parco centrali a carbone del paese, costituito principalmente da unità subcritiche, risultava inferiore al 32%. Dagli anni '90, l'India ha attuato una serie di riforme per ristrutturare e privatizzare il settore, sino ad allora monopolio statale. L'apertura del mercato dell'energia e l'elevata crescita della domanda, trainata da una rapida crescita economica, negli ultimi anni hanno attratto grandi investimenti. Di conseguenza, si è verificato un incremento della capacità di generazione basata sul carbone. Nell'ultimo decennio in particolare sono state costruite diverse grandi centrali SC a carbone. Questo, combinato con la chiusura già prevista di vecchie e inefficienti centrali, ha portato a un notevole miglioramento dell'efficienza del parco di centrali a carbone di circa 5 punti percentuali nel periodo 2015-2016. Tuttavia, l'efficienza delle unità esistenti rimane complessivamente bassa a causa del sistema tariffario e dei meccanismi di sovvenzione che non incentivano i produttori a investire sull'efficientamento energetico.

Il mercato dell'elettricità in Giappone è stato progressivamente liberalizzato a partire dagli anni '90. La concorrenza ha motivato i produttori di energia a investire nell'incremento di efficienza delle centrali. Regolamenti efficaci assicurano che nelle centrali a carbone siano impiegate le più moderne tecnologie al fine di raggiungere elevati valori di efficienza e minimo impatto ambientale. Di conseguenza, il parco giapponese delle centrali a carbone risulta costituito oggi prevalentemente da unità SC e USC e rappresenta una delle più efficienti flotte al mondo.

Negli Stati Uniti sono iniziate negli anni '90 la deregolamentazione e la ristrutturazione del mercato dell'energia, condotte in diversa misura nei singoli Stati. Attualmente ci sono diverse politiche e regolamenti che regolano la produzione di energia dal carbone e la riduzione delle emissioni. Alcune normative ambientali, caratterizzate da frammentazione ed elevata complessità, hanno causato grande incertezza e hanno inciso sulle decisioni di investimento o ritiro degli impianti da parte dei produttori. L’utilizzo di gas a basso costo, il sempre maggior ricorso all'energia rinnovabile e l'invecchiamento della flotta rendono le centrali a carbone meno competitive. Di conseguenza, non si sono verificati investimenti in nuove centrali a carbone o il potenziamento delle unità esistenti, il che ha portato ad un costante declino della capacità di generazione a carbone. Per le stesse motivazioni l’efficienza del flotta a carbone statunitense non ha visto incrementi negli ultimi due decenni. È questo l’esempio di come le scelte politiche, se non attentamente ponderate, possono creare barriere e incertezza scoraggiando l’investimento in progetti di ammodernamento delle centrali a carbone, rendendole meno competitive e in questo modo predisponendo il paese ad adottare un mix energetico differente.

Come riportato, in generale, la gestione di un impianto ha come fattore trainante il recepimento delle politiche governative e dei requisiti normativi in termini di efficienza ed emissioni. Tuttavia, meccanismi di mercato, incentivi finanziari, opportunità di finanziamento e opzioni tecnologiche disponibili influenzano fortemente le decisioni sull'investimento in unità, basate su nuove tecnologie, o sull'ammodernamento di quelle esistenti. I costi d’ammodernamento possono essere elevati e la politica di gran parte dei paesi è generalmente indirizzata alla chiusura delle unità più piccole e inefficienti. All'interno del proprio contesto economico e politico e alla luce del proprio impegno preso con gli accordi di Parigi, ogni paese è un caso a sé stante e affronta sfide uniche nella gestione della generazione elettrica da carbone. Per questo, soluzioni politiche e meccanismi di mercato possono funzionare diversamente a seconda dei contesti. Un esempio di questo è il già citato caso dell’India che, reduce da anni di scarsa disponibilità e qualità della fornitura energetica, ha intrapreso, al pari di altri paesi, una politica di ristrutturazione del settore energetico. La complessa organizzazione interna e la mancanza di coordinamento tra i ministeri e i dipartimenti coinvolti nelle misure adottate, hanno però causato ritardi nella loro implementazione e spesso non è stato dato seguito alle iniziative del governo. L’applicazione dei nuovi standard di emissione, che ha visto lo spostamento dei termini per la messa in regola dal 2017 al 2022, è solo uno dei casi rappresentativi di questa situazione. La comprensione dei percorsi affrontati dai diversi paesi può essere d’aiuto per l’accelerazione del processo di trasformazione del settore energetico rendendolo meno costoso, più efficiente e sostenibile da punto di vista ambientale.

L’esperienza cinese invece ha dimostrato che una forte azione politica agevola e stimola in maniera significativa gli investimenti nell'aggiornamento degli impianti esistenti e nella diffusione delle cosiddette tecnologie ad alta efficienza e basse emissioni, le High Efficiency Low Emission (HELE). In particolare, attraverso l’emissione di un action plan per l’aggiornamento e per la costruzione di impianti alimentati a carbone, nel 2014 la Cina ha definito il nuovo limite di consumo di combustibile di 310 g/kWh per tutti gli impianti sottoposti a riammodernamento. Inoltre, per promuovere lo sviluppo delle tecnologie HELE, a partire dal 2016 sono stati approvati gli incentivi per l’energia prodotta da impianti a carbone a emissioni ultrabasse (ULE).

Un altro fattore di spinta nel campo dell'efficientamento delle centrali a carbone è rappresentato dai meccanismi del mercato. Un mercato pienamente liberalizzato e competitivo spinge i produttori, attraverso opportunità e incentivi economici, a incrementare il rendimento delle proprie unità, in un’ottica di maggior profitto, e non solo nel rispetto di vincoli imposti dai governi. La competizione nel mercato energetico, lungo l’intera catena dalla generazione, trasmissione e distribuzione alla vendita dell’energia, incoraggia e incentiva i produttori di energia elettrica a migliorare fattivamente i loro impianti a carbone, nonostante il mercato elettrico aperto sia molto competitivo e influenzato dalle politiche e dalle condizioni economiche-sociali dei singoli stati. Nel medio –lungo termine  è comunque lecito immaginare un avvenire efficiente e sostenibile per la generazione elettrica da carbone a sostegno della transizione energetica low-carbon, ma questo non può che accadere se non con la presa di coscienza, da parte dei decisori politici, del loro ruolo determinante per il miglioramento del settore elettrico, attraverso l’incentivazione all'innovazione e la pianificazione di una crescita dell’efficienza globale degli impianti a carbone. SMeloni

CCC/300 February 2020  Dr Qian Zhu